La Tesis Doctoral estudia el comportamiento de las emisiones de polvo generadas en las parvas ó sistemas de almacenamiento de minerales a la intemperie fundamentalmente en sistemas portuarios, en parques de centrales térmicas, cementeras y explotaciones mineras, para lograr la modelización del fenómeno de la puesta en suspensión de partículas sólidas y su propagación, evaluar las variables que en ello interfieren y recomendar las líneas de actuación para minimizar el impacto ambiental. Ha sido por tanto una investigación orientada a la definición de metodologías, modelos y técnicas con la intención de evaluar, simular y monitorizar las características de las nubes de polvo. En los estudios se emplearon las más importantes herramientas computacionales específicas y generales adaptadas al estudio tales como la Modelización-Animación en 3D, los Elementos Finitos (códigos MEF), los códigos numéricos (CFD4D) y los Elementos Discretos (PFC4D).

La predicción precisa de los efectos producidos por el acoplamiento fluido estructura para cuerpos parcial o totalmente sumergidos, incluyendo superficies libres, es un problema de gran relevancia en la ingeniería naval así como en muchos otros campos del diseño de estructuras sometidas a la acción de fluidos.Las dificultades que se encuentran en la resolución de los problemas de interacción fluido estructura se deben principalmente a las siguientes causas:1. La dificultad de resolver numéricamente las ecuaciones de la dinámica de un fluido incompresible que, en general, si descartamos el caso más simple del modelo del flujo potencial, tienen un importante carácter no lineal. 2. Los obstáculos que se presentan al resolver la ecuación de la superficie libre, que constriñen el movimiento de las partículas a una superficie fluida de posición a priori desconocida.3. Las dificultades asociadas a la resolución del problema del movimiento de un cuerpo sumergido debido a las fuerzas de interacción, minimizando la deformación de los elementos de la malla y reduciendo, de esta manera, la necesidad del remallado.En la presente tesis se presenta un método estabilizado basado en el método de los elementos finitos que pretende solventar cada uno de los problemas anteriores. La metodología se basa en la modificación de las ecuaciones diferenciales de la dinámica de fluidos que gobiernan el flujo viscoso incompresible y el movimiento de la superficie libre, mediante la aplicación del método de cálculo finitesimal (FIC) propuesto en este trabajo.En el presente caso las ecuaciones modificadas son resueltas usando un esquema de pasos fraccionados semi-implícito y el método de los elementos finitos (FEM). El movimiento del cuerpo sumergido en el fluido debido a las fuerzas de interacción se calcula resolviendo un problema estructural dinámico, para el cual las fuerzas del fluido son las condiciones iniciales. Se incluye, además, un algoritmo para el movimiento de la malla debido a la deformación del dominio de cálculo. Este método minimiza la distorsión de la malla debida al movimiento del sólido rígido y al cambio de posición de la superficie libre. Este algoritmo se basa en la solución iterativa por el método de elementos finitos de un problema lineal, donde la malla de cálculo se considera un sólido elástico sometido a la deformación prescrita por el cambio en el dominio de cálculo. Las características de elasticidad del sólido, y en concreto su rigidez, se aplican de manera que los elementos que más se deforman tienen una rigidez mayor. Por último se presentan varios ejemplos de interés industrial, aplicación de la metodología propuesta en diferentes campos de la ingeniería naval.

[pt] O estudo fundamental de estruturas turbulentas próximas a paredes é de significativa importância devido ao seu papel dominante em inúmeras aplicações de engenharia. Em escoamentos turbulentos, estruturas de diferentes escalas interagem entre si através de um fenômeno complexo caracterizado por um processo contínuo e auto-sustentável. Embora a presença de padrões de movimento coerente pareça ser responsável pela manutenção da turbulência, a evolução e a interação destas estruturas ainda não são completamente entendidas. Para investigar tais fenômenos, foram realizados estudos de escoamentos turbulentos próximos a paredes sobre uma placa plana em um túnel de vento e dentro de um canal de água quadrado. O presente trabalho empregou uma técnica tomográfica de velocimetria por imagem de partícula de alta taxa de medição de campos de velocidade tridimensionais. O processamento da técnica tomo-PIV foi otimizado a fim de melhorar o desempenho do algoritmo e a exatidão dos campos vetoriais medidos. As medições realizadas permitiram a obtenção de estatísticas condicionais das estruturas coerentes típicas da camada limite turbulenta, tais como regiões de baixa e de alta velocidades, varreduras (sweeps), ejeções (ejections) e vórtices. Os resultados quantitativos mostraram vórtices distribuídos por todo o escoamento, entretanto, concentrados na vizinhança das regiões de baixa velocidade e ejeções. Os resultados indicaram que os vórtices estavam indiretamente correlacionados com o processo de produção de turbulência, apesar de serem os principais responsáveis pela dissipação da energia turbulenta. / [en] The fundamental study of turbulent structures near a wall is of significant importance due to its dominant role in innumerous engineering applications. In turbulent flows, eddies of different scales interact with each other in a complex phenomenon of a continuous self-sustaining process. Although the presence of patterns of coherent motion seem to be responsible for the maintenance of turbulence, the evolution and the interaction of these structures are still not completely understood. To investigate such phenomena, near-wall turbulent flows over a smooth at plate in a wind tunnel and inside a square water channel were conducted. The present work employed a high-repetition tomographic PIV technique to measure three dimensional, time-resolved velocity fields. The tomo-PIV processing was optimized in order to improve the algorithm performance and the vector fields accuracy. Conditional statistics of coherent structures, namely, lowand high-speed regions, sweeps, ejections and vortices, were computed. Quantitative results showed vortical structures spread all over the flow, nevertheless, concentrated close to low-speed regions and ejections. Results indicated that vortical structures were indirectly correlated with the process of turbulence production, although they were the main responsible for the turbulent energy dissipation. / [fr] L étude fondamentale des structures turbulentes proche d une paroi est d une significative importance en raison de son rôle dominant dans nombreuses applications d ingênierie. Dans les écoulements turbulents, des structures d échelles différentes interagissent dans un phénomène complexe caractérisé par un processus autonome et continu. Bien que la présence de modéles de mouvements cohérents semble entretenir la turbulence, l évolution et l interaction de ces structures ne sont pas encore complétement compris. Pour analyser ces phénomènes, l étude d écoulements turbulents à proximité de paróis a été effectuées sur une plaque plane dans une soufflerie et à l intérieur d un canal hydraulique de section carrée. Une technique tomographique de vélocimétrie par images de particules pour mesurer de champs de vitesse tridimensionnel a été employée. Le traitement des données a été optimisé afin d améliorer la précision des champs de vecteurs mesurés. Les mesures realisés ont permis d obtenir des statistiques conditionnelles des structures cohérentes, à savoir, les régions à faible et à grande vitesse, les sweeps, les ejections et les tourbillons. Les résultats quantitatives ont montré des structures tourbillonnaires distribués sur tout le ux, cependant, concentrée au voisinage des régions à faible vitesse et des ejections. Les rèsultats ont indiqué que les structures tourbillonnaires étaient indirectement corrélés avec le processus de production de la turbulence, bien qu ils ont été les principaux responsables de la dissipation d énergie turbulente.

[pt] Os modelos mais populares para solucionar escoamentos turbulentos são baseados no esquema RANS (Reynolds Average Navier Stokes) que necessita de fechamento para relacionar o tensor de tensões de Reynolds com os tensores médios cinemáticos. A solução clássica é a aproximação por Bussinesq que assume uma relação linear entre a parte deviatórica do Tensor de Reynolds e o tensor das taxas de deformação. Trabalhos anteriores mostraram que uma relação não linear entre o tensor das taxas de deformação pode melhorar a predição do modelo. No presente trabalho, primeiramente é realizada uma avaliação entre modelos lineares presentes na literatura seguido de uma análise de três modelos de ordem elevada que expandem a base tensorial para incluir tensores ortogonais. Duas adimensionalizações, uma com a energia cinética turbulenta e taxa de dissipação e outra com energia cinética turbulenta e intensidade do tensor de deformação, haviam sido propostas. As previsões dos modelos são comparados com dados DNS para um canal e para uma gama variada de número de Reynolds. Todos os modelos são implementados na plataforma aberta OpenFoam. Predições razoáveis para a componente cisalhante de todos os modelos foram obtidas quando comparadas com os dados DNS. Entretanto, modelos não lineares provaram superioridade na predição das outras componentes. Também foi observado que o modelo não linearmente dependente do tensor taxa de deformação e o tensor não persistencia das deformações foi o que melhor representou os campos providos por DNS. / [en] The most popular models to solve turbulent flows are based on the Reynolds Average Navier Stokes approach (RANS), which needs closure equations to relate the Reynolds stress tensor to the mean kinematic tensors. The classical approach is the Boussinesq approximation that assumes a linear relation between the deviatoric part of the Reynolds stress tensor, and the rate of strain tensor. Previous works have shown, that the non-linear dependence on the rate of strain tensor can improve the model predictions. At the present work, first an evaluation of linear models available in the literature is performed, followed by the analysis of three higher order methods, that expands the tensorial basis to include other objective orthogonal tensors. Two different nondimensionalization, one with the turbulent kinetic energy and dissipation rate and the other one with turbulent kinetic energy and the intensity of the rate of strain, had also been proposed for the models. The performance of the new models is assessed by comparing their numerical predictions to available channel flow and for a broad range of Reynolds Numbers. All models are implemented in the open source platform OpenFOAM. Reasonable predictions of the Reynolds shear component of all models were obtained when compared with the DNS data. However, the non-linear models proved superior in the prediction of the other components. It was also observed that the model which depends nonlinearly with the rate of strain and linearly with the non-persistence of strain was the one that best represented the DNS data field.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-12-20Bitstream added on 2014-06-13T19:47:44Z : No. of bitstreams: 1 souza_eg_me_ilha.pdf: 959550 bytes, checksum: b4784dbcc883b1be2d0c6b7cce83f54b (MD5) / Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira (FEPISA) / O objetivo deste trabalho é a análise numérica e experimental de escoamento viscoso, incompressível, permanente, com transferência de calor, em um canal estreito contendo um arranjo de obstáculos retangulares. A análise experimental envolveu determinação de coeficiente de transferência de calor médio bem como o número de Nusselt médio e medidas de temperatura em esteira térmica para comparação com os resultados obtidos por simulação numérica. Para a análise numérica usamos o programa comercial de mecânica dos fluidos e transferência de calor computacional ICEPAK®. Verificamos que quanto mais adentro o obstáculo estiver no arranjo maior é a transferência de calor por convecção forçada. Determinamos coeficientes de transferência de calor médio e número de Nusselt médio (com incerteza entre 6 e 15%) e verificamos que o efeito da posição diminui à medida que a velocidade aumenta. Concluímos também que ambos os modelos de turbulência utilizados, k-ε padrão e k-ε RNG, foram incapazes de predizer o efeito da posição apropriadamente. Entretanto, o modelo k-ε RNG apresentou melhor comportamento, pois o seu uso resultou em soluções com valores de temperatura intermediários aos experimentais / The purpose of this work is the study of the numerical and experimental viscous incompressible steady flow with heat transfer into a narrow channel containing a rectangular array of obstacles. The experimental approach involves determining the coefficient of heat transfer and temperature measurements in thermal wake for comparison with the results obtained in numerical simulations. For the numerical analysis we use the commercial program of fluid mechanics and heat transfer computational ICEPAK™. We confirmed that in the last lines of the array the biggest is the heat transfer by forced convection. We determined the average heat transfer coefficients (with uncertainty between 6 and 15%) and found that the effect of the position decreases as flow speed increases. We use in the simulations the k-ε turbulence model and the k-ε RNG turbulence model. We conclude that both turbulence models used were unable to predict the effect of the position properly. However, the k-ε RNG model showed better behavior. The numerical temperatures with this model were consistent to the experimental temperature

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-02-22Bitstream added on 2014-06-13T20:50:45Z : No. of bitstreams: 1 lima_rc_me_ilha.pdf: 3645930 bytes, checksum: d7ee96dea4a2ba8427f6366d87a818cc (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O objetivo principal deste trabalho é a simulação numérica de escoamentos viscosos, incompressíveis e transientes, com transferência de calor e massa; através do método de elementos finitos de subdomínio; usando a metodologia de simulação de grandes escalas para a modelagem da turbulência. Algumas aplicações de interesse são as simulações de escoamentos com transporte de um escalar, como nos casos de dispersão de poluentes induzida pelo movimento do ar atmosférico. O domínio é discretizado usando elementos finitos quadrilaterais de nove nós e as equações são integradas em volumes de controle ao redor dos nós dos elementos finitos. As equações governantes passam por um processo de filtragem, devido à metodologia aplicada, Simulação de Grandes Escalas (LES - Large-Eddy Simulation), e desta forma as maiores escalas são resolvidas diretamente através da solução das equações de Navier-Stokes filtradas, enquanto que as menores escalas ou escalas submalhas são modeladas, pelo modelo de viscosidade turbulenta de Smagorisnky. Alguns casos testes bidimensionais clássicos são resolvidos para validação do código e os resultados são apresentados e comparados com resultados disponíveis na literatura. Alguns poucos casos de dispersão de poluentes em geometrias que simulam cânions de ruas (urban street canyons) foram também simulados. / The main purpose of this work is the numerical simulation of viscous, incompressible and unsteady fluid flows by a sub-domain finite element method, using the methodology of large-eddy simulation (LES) for turbulence modeling. Some applications of interest are isothermal and thermal flows with transport of scalar variable such as the pollutant dispersion in the atmosphere by airflow. The domain is discretized using nine-nodes quadrilateral finite elements and the equations are integrated into control volumes around the nodes of the finite elements. The government equations are submitted to a filtering process for application of LES methodology, in which the large scales are directly solved using the filtered Navier-Stokes equations, while the small or sub-grid scales are modeled by the eddy viscosity model of Smagorinsky. Two-dimensional benchmark problems are solved to validate the numerical code and the results are presented and compared with available results from the literature. Some cases of pollutant dispersion in geometries that simulate urban street canyons have been also simulated.

[pt] O presente trabalho é um estudo experimental das características de um escoamento de ar em forma de jato espiralado, incidindo ortogonalmente sobre uma placa. Os objetivos do estudo são: avaliar a influência da presença de uma componente circunferencial de velocidade na distribuição dos coeficientes locais de troca de calor, obter campos de velocidade instantâneos no plano axissimétrico assim como informações sobre as características da turbulência no escoamento. Durante os experimentos se investigou a influência da distância jato/placa e da intensidade do escoamento espiralado (número de Swirl). Como etapa preliminar, foi conduzido um experimento de jato livre, para validação das técnicas de medição de velocidade utilizadas. Os resultados foram comparados com os da literartura e uma boa concordância foi obtida. A distribuição espacial dos coeficientes de troca de calor foi avaliada impondo-se um fluxo de calor constante na placa e medindo a distribuição radial de temperatura através de diversos termopares. Coeficientes locais puderam então ser estimados. Os campos de velocidades radial e axial instantâneos foram adquiridos experimentalmente através da utilização da técnica de Particle Image Velocimetry (PIV) e perfis de velocidade tangencial (média e flutuações) foram obtidos a partir da técnica Laser Doppler Velocimetry (LDV). Os resultados mostraram que os padrões de escoamento mudam significativamente quando a componente circunferencial de velocidade é introduzida. Para o valor mais alto do Número de Swirl foram verificadas fortes reversões do escoamento na região de estagnação. / [en] The present work is an experimental study of the characteristics of a swirling impinging air jet. The goals of the study are: to evaluate the influence of the presence of a circumferential velocity component in the distribution of the local heat transfer coefficients, to obtain instantaneous velocity fields in the axisymmetric plane, as well as information about the turbulence characteristics in the flow. During the experiments, the influence of the impingement distance and swirl intensity were investigated. As a preliminary validation of the velocity measurement tecniques, an experimental investigation of an axisymmetric free jet was conducted. The results were compared with literature showing good agreement. The spatial distribution of heat transfer coefficients was evaluated by imposing a constant heat flux condition to the plate and measuring temperature of several points along the radial distance of the plate with thermocouples. Local coefficients could then be estimated. Instantaneous axial and radial velocity fields were obtained with Particle Image Velocimetry (PIV) and tangential velocity profiles (mean and fluctuations) obtained by using Laser Doppler Velocimetry (LDV). The results showed that the flow patterns change significantly when the tangential component is added. For the highest value of Swirl number, strong recirculation zones were observed in the stagnation region.

This master’s thesis is focused on behaviour of the TCP/IP protocol on free-space optical link which is affected by the effect of atmospheric turbulence. This causes fluctuation of the received optical power and therefor bit error rate changes. In the simulation model short-time bit error rate is calculated from random generated received optical signal and then used in time-domain analysis of the OMNeT++ network simulator. A buffer in transmitter is designed based on simulation results. It pauses the data transmitting in cases of FSO link outage. This method is then implemented into FPGA device.

This master’s thesis is focused on behaviour of the TCP/IP protocol on free-space optical link which is affected by the effect of atmospheric turbulence. This causes fluctuation of the received optical power and therefor bit error rate changes. In the simulation model short-time bit error rate is calculated from random generated received optical signal and then used in time-domain analysis of the OMNeT++ network simulator. A buffer in transmitter is designed based on simulation results. It pauses the data transmitting in cases of FSO link outage. This method is then implemented into FPGA device.

[pt] Modelos RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) estão entre os modelos mais empregados para resolver escoamentos turbulentos, devido a seu baixo custo computacional. A maioria dos modelos RANS usa a aproximação de Boussinesq, baseada em uma relação linear entre a parte deviatórica do tensor de Reynolds e o tensor taxa de deformação, com a viscosidade turbulenta sendo o parâmetro positivo de proporcionalidade. Contudo, esses modelos falham em várias situações, e um grande esforço tem sido feito pela comunidade científica com intuito de melhorar a previsibilidade do modelo desenvolvendo modelos não lineares. Análises de modelos de ordem superior empregando tensores ortogonais objetivos têm mostrado que estes são muito promissores para melhorar a previsão dos componentes normais do tensor de Reynolds. No presente trabalho, modelos não lineares baseados no quadrado do tensor taxa de deformação e no tensor não persistência de deformação foram avaliados para uma faixa de número de Reynolds baseados na velocidade de atrito, variando de 395 até 5200. Novas funções de parede foram desenvolvidas, utilizando energia cinética turbulenta e o módulo do tensor taxa de deformação para determinar a velocidade e comprimento característicos. Além disso, um novo modelo turbulento de uma-equação baseado somente na equação de transporte da energia cinética turbulenta foi proposto juntamente com uma equação de fechamento algébrica para modelar a dissipação da energia cinética turbulenta. Os resultados dos modelos para escoamento em canal foram comparados com os dados DNS, apresentando uma melhor aderência aos dados DNS em comparação com os resultados de outros modelos RANS encontrados na literatura. / [en] Reynolds Average Navier Stokes (RANS) models are among the most employed models to solve turbulent flows, due to their low computational cost. The majority of RANS models use the Boussinesq approximation, based on a linear relation between the deviatoric part of Reynolds stress tensor and the rate of strain tensor, with the turbulent viscosity as the positive proportionality parameter. However, these models fail in several situations, and a great deal of effort has been made by the scientific community aiming to improve model prediction through the development of non-linear models. Analysis of higher-order models employing objective orthogonal tensors has shown that these are very promising to improve the prediction of the normal components of the Reynolds stress. In this work, non-linear models based on the square of the rate-strain tensor and non-persistence tensor were examined for a range of friction Reynolds number from 395 to 5200. New wall damping functions were developed, employing the turbulent kinetic energy and intensity of the rate of strain tensor to determine the turbulent characteristic velocity and length. Further, a new one-equation turbulent model based only on the turbulent kinetic energy transport equation was proposed coupled with an algebraic closure equation to model the turbulent kinetic energy dissipation. The models prediction for a channel flow were compared with DNS data and presented a better adherence to the DNS data, than the results of other RANS models available in the literature.